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中国部队首次装备单兵外骨骼,医用外骨骼即将大范围升级?

中国部队首次装备单兵外骨骼,医用外骨骼即将大范围升级?

 
2020年12月9日,据军事报道讯,在海拔5000米的西藏阿里地区,我军边防士兵装备了全新的——单兵外骨骼。

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器械菌看到这则消息的第一反应就是:什么?钢铁侠要在中国走入现实了?根据资料显示,该外骨骼系统总重小于五公斤,穿戴后人体最大承重可达70公斤,行走时可为肩部减重30%,站立时肩部减重50%,快速穿戴时间小于两分钟,快速解脱小于30秒。根据穿戴装备的战士反馈,在背上20公斤的物资后,重量全部由外骨骼承担,不会下到身体上。

 

在西藏这样条件恶劣的高海拔地区,单兵外骨骼设备投入实用,将会大大改善我国边疆战士的生活和训练条件。在进一步了解中发现,虽然这是中国第一次实装,但是类似的外骨骼在今年8月份就已经亮相,该设备能够让女兵背着140斤重的伤员跑动。



源于军事
医疗开花

关于单兵外骨骼的研究,可以追溯到19世纪,由于蒸汽机的出现,就有人萌生了以蒸汽机为动力的助力外骨骼概念。20世纪60年代,美国国防高级研究计划局(DARPA)开始研究军用动力外骨骼。1961年,美国康奈尔航空实验室开始研发Man-Amplifier外骨骼。
图片▲Man-Amplifier外骨骼

 

1965年,DARPA和通用公司联合研发了哈迪曼系统(Hardiman),数据显示能将使用者的力量放大25倍,但该系统不仅有严重的延迟问题,重量更是高达680公斤,此后虽然全世界不断有新的外骨骼设计出现,但都没有取得根本性的改变,这种停滞状况一直持续到20世纪末。
图片▲哈迪曼外骨骼

20世纪中期,计算机的出现,为世界上的科学研究注入了新动力,同样也给助力外骨骼的研究带来了曙光。到了20世纪80年代,1971至72年贝尔格莱德大学的Vukobratovic等人研制的PoweredExoskeleton。贝尔格莱德大学的团队实行了轻量化的机构,同时提出了平衡算法,这在双足机器人研发中被广泛应用。

 

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20世纪末期,更多的企业投入到助力外骨骼机器人的研发中来。如:1978年Shulman的JoggingMachine,1987年MontyReed 的LifesuitExoskeleton,1990年G.JohnDick和EricA.Edwards的SpringWalker,1991年的PoweredArm。发展至今,虽然目前外骨骼在军事领域的成就依然善可陈,在医疗领域取得了意外的成就。目前按照针对躯体的部位可分为:上肢机器人,下肢机器人按照功能划分可分为康复训练机器人和辅助行走机器人

 

康复训练外骨骼机器人有以下几大知名品牌:奥地利SCHEPP、瑞士Hocoma、美国Woodway等,辅助行走外骨骼机器人主要有:以色列Rewalk、美国EKSO、日本Cyberdyne、新西兰Rex Bionics等

 

辅助行走外骨骼机器人

 

1、SCHEPP

 

该系统采用先进的运动治疗方法,依靠稳健的技术,给患者带来高效舒适的康复体验。人性化且高效的患者出入方案解决了轮椅——设备姿势转换的难题,且集成领先的反馈系统作为康复辅助,再配合自然的骨盆角度及足部关节背屈跖屈控制,一切只为实现正常自然的行走步态!


功能也是非常丰富,具有断电保护功能、骨盆控制系统、多用途减重支臂、集成力的反馈系统、直观精确触屏操作,使用方便、可旋转操作台,双侧皆可操作,创新型患者进入及退出设备设计,科学的足部关节背屈跖屈控制。主要可以用于脑瘫、脑卒中、脑外伤、帕金森症、脊髓损伤、多发性硬化症、骨科患者等的运动康复。

 

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2、Ekso Bionics

 

军事、医疗多方位发展的外骨骼机器人。EKSO是美国的一家企业,创立于2005 年,2012年拿到FDA医院使用许可,ESKO 因为有美国国防部背景,所以在军事、民用、救援、医疗进行了多方位的尝试。

 

在医疗方面,ESKO已有两款医疗外机械骨骼于2012年上市,使用了铝合金、钛合金、碳纤维等金属和复合材料,创建了高精度的感应器、微型驱动马达、拟人关节,配备了速度极快的中央处理器和强大的软件系统。

 

目前用户可根据自身的情况和康复进度选择3种不同的康复模式:FirstStep(康复治疗师辅助进行)、ActiveStep(用户自主控制模式)和 ProStep(自动感应用户身体动作触发每一步)。

 

Ekso产品的最大优势是得力于美国军方的肯定,常年与美国国防高级研究计划局DRAPA 有合作项目,在开发军用设备方面与洛克希德马丁公司也有合作。

 

Ekso在军事上研发的产品Bleex使美国军方产生了极大兴趣,DARPA为此进行了相关拨款。随后Ekso开始涉及医疗外骨骼机器人,在医疗方面产品质量非常过硬,制造材料全都是同级别中最先进的,由此也带来了高成本的问题,Ekso产品的单价比Rewalk昂贵得多。

 

图片Ekso Bionics

 

3、Cyberdyne

 

意念控制的外骨骼康复机器人。2001年,日本筑波大学三阶吉行教授和他的研究小组正式推出了HAL(Hybrid Assistive Leg)系列混合助力腿外骨骼机器人,用户全身都可以穿戴外骨骼机器人。

 

2008年HAL正式发布,2013年成为全球首个获得安全认证的机器人外骨骼产品(ISO/DIS 13482)。

 

2014年3月,Cyberdyne在东京上市,是日本首家生产医用及社会福利事业用机器人的公司上市。公司2013年接收到诊所使用的CE认证,积极推广在欧洲的市场,目前打算申请美国FDA认证。

 

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HAL作为助力外骨骼机器人最大的优势是“实现意念控制”,即大脑向筋骨系统发出的运动指令而动作,身体在动作的时会有微弱的生物电位信号溢出到皮肤的表面,采集皮肤上的生物电驱动外骨骼系统做相应的动作的,外骨骼可以通过这套系统探测人体肌肉的发力点从而介入工作。

 

除此之外,工伤保险+租赁的组合使用方式成为它又一大优势,在德国,使用机器人套装HAL的治疗已经可以使用工伤保险,同时患者可以支付5200美元左右的初期导入费后,就能够以每月大约1700美元的价格进行租赁使用。

 

目前日本政府已将其列入“日本 Life Innovation 大国战略发展计划”,如果美国FDA审批能顺利通过,Cyberdyne将有望实现巨大盈利。

 

4、Rex Bionics

 

无支撑式独立行走外骨骼康复机器人。Rex Bionics是新西兰的公司,Rex最大的优势是支持无支撑式独立行走,外骨骼的操纵杆安置在扶手内,操作无需手臂力量,适用于更广泛的顾客群体。

 

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表面采用了坚固的轻质材料,从下至上的多处尼龙搭扣以及腰间的宽腰带将使用者的身体与外骨骼捆绑在一起。为了兼容轮椅的操控习惯,Rex用腰间的两个操纵杆进行姿态控制。

 

Rex重量为38公斤,由一个轻便充电池提供动力,充电一次可全天使用。每个Rex装置都是为病人度身订造的,预计售价最少约15万元。Rex是唯一一家无需拐杖支持的自助式设备,适用于四肢瘫痪患者,即便是下肢瘫痪患者,也可以彻底解放双手。

 

5、松下外骨骼

 

充气式与软体式外骨骼机器人。肘部和腕部装有传感器控制8块人造肌肉,人造肌肉内装有压缩空气,用于挤压瘫痪的部位,帮助偏瘫患者。

 

当外骨骼的传感器检测到使用者弯腰举起重物时,电机通过传动装置为人体的四肢提供外部动力,减少人体的负担,实时分析使用者的活动信息,并给予恰当的力量辅助,让你用很小的力就可以搬起各种重物。

 

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今年10月,松下公布了一项研究外骨骼在医疗上的研究成果,通过运用软体机器人原理,这套人造外骨骼可以支撑多种人类肌肉运动,包括转身等常规外骨骼无法实现的动作,是第一款可以使穿戴者转身的外骨骼。

 

传统外骨骼只能依靠连接处轴的转动来对穿戴者提供支撑力,这也就意味着其形变范围非常有限。而软体塑料线不受连接轴的限制,拥有更大的形变范围,因此穿戴者可以转身、扭动跨步。

 

它的核心功能还在于可以通过腰部集成的传感器对人体姿势进行检测,方便不同行动之间的模式转换,不碍事也不会造成损伤。

 

6、PhoeniX

 

最轻的行走外骨骼。2016年加州公司suitX发布了可移动机械外骨骼PhoeniX,主要面向的是残疾人士,其利用发动机帮助穿戴者移动双腿。

 

早在2005年suitX就与已经成为外骨骼产品市场领导者的Ekso Bionics合作,目前客户主要为脊髓损伤患者、运动损伤患者、大脑麻痹患者和体力劳动者,面向家庭、社区包括儿童在内的各个年龄阶段的患者。

 

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PhoeniX最大的特点在于极简,这个行走的外骨骼,脚下没有传感器,膝盖没有制动器,重量只有12.25kg。极简的设计外加先进的嵌入式智能微小组件是PhoeniX能够控制其重量和成本的重要原因,外骨骼设计采用模块化设计,主要分为一个髋关节模块,2个膝关节模块和2个脚模块,客户可以单独使用或连接在一起,形成一个完整的系统,模块化的外骨骼设计能够使患者身体的每个部分都动起来。

 

这不仅削减了不必要的重量和体积同时也会让电池的寿命延长,在完全组装安装,充电完成的状态下可以不间断连续4个小时的行走,最高步行速度达到每小时约1.8公里。Phoenix目前还在等待FDA的批准,在美国市面上出售的价格约为四万美元。

 

7、 Soft Exosuit

 

DARPA(美国国防部高级计划研究局)与哈佛大学的生物工程研究所签订了290万美元的合同,用于开发柔韧的机器外骨骼装置,增强士兵和普通人的力量,帮助行动不便和瘫痪人士重新站立起来。

 

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所开发的装置被称为柔性机器护甲(Soft Exosuit),其功能与其他机器外骨骼装置差不多。但不同之处在于,柔性机器护甲不像之前的装置那么笨重,而是会很轻具有柔韧性。它由编织成带状的纺织物组成,能包裹在使用者的腰部和腿部,内置微处理器、传感器和能源。此外,腰部还会置入马达,用于提供力量和机动性。

 


康复训练外骨骼机器人

 

1、Hocoma

 

瑞士HOCOMA AG公司成立于1996年,作为国际知名的医疗康复机器人公司,具有四款核心康复机器人产品。

 

Lokomat:是一款能够提供即时反馈与评估的步态训练机器人,对中风、脊髓损伤 、创伤性脑损伤、多发性硬化症等神经系统疾病患者有良好的康复效果。

 

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目前,Lokomat几乎垄断中国高端康复机器人市场。Armeo:是一款能够提供即时反馈与评估的上肢康复机器人,支持从肩膀到手指的完整的运动链治疗,能够根据患者的情况自动提供协助。

 

即使是症状严重的患者,也能用此款设备进行高强度的早期康复治疗。Erigo:是一款集成的倾斜机器人系统,用于长期卧床病人的早期神经康复训练。Valedo 系列:用于背部疼痛治疗,包括 Valedoshape、Valedomotion 和 Valedo 三款产品,分别用于脊柱评估、诊所治疗和家庭治疗。

 

2、Woodway

 

美国 WOODWAY 公司成立于 1975 年,一直专注于研制设计独特、性能卓越、可靠耐用的竞技训练、商业健身及医疗康复专业平台。

 

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该公司的康复机器人主要两款,LokoHelp:是一款用于康复运动的步态训练机器人,除了可以减轻康复治疗师的工作强度外,还能提高康复治疗的效果。

 

KineAssist:是一款能够模拟实际生活环境的康复训练机器人,可以提供包括平地走,爬坡,站立平衡,动态平衡等运动疗法。除康复训练机器人外,该公司还有多款康复评定智能设备。

 

3、Harmonic Bionics

 

Harmonic Bionics公司开发的Harmony SHR项目于2011年在德克萨斯大学雷诺机器人实验室启动,资金来自国家科学基金会和美国宇航局。它既可以按照预先编制的程序自动重复模拟日常的多平面运动来促进功能恢复;又可以支持患者本人通过正常一侧手臂来引导另一侧完成复健动作;或通过实时记录健康的手臂运动,并将其复制到受中风影响的一侧来进行以患者为主导的治疗,或者称为“双向同步治疗”。

 

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Harmonic Bionics通过选择德国运动塑料制造商igus的DryLin-T高性能直线轴承,以确保了外骨骼支架的高刚性、无需润滑;而且,直线轴承机构能够一次锁定到位,以防止不必要的尺寸变化。该产品也经常用于机械制造、机床、包装搬运和木工等行业。

 

4、大艾外骨骼机器人

 

北京大艾机器人科技有限公司孵化出大艾外骨骼机器人项目,研发团队来自于北航医疗机器人实验室,大艾外骨骼机器人是国内唯一专业医用的外骨骼机器人,唯一顶级脊柱损伤医疗专家支持、为专业康复设计的外骨骼机器人。

 

主要有两款核心产品:Ailegs艾动,为双足型下肢外骨骼康复机器人,能为脑损伤、脊髓损伤患者进行康复训练以及提供辅助行走功能。Aiwalker艾康,为移动台架型下肢外骨骼康复机器人,在Ailegs功能基础上,为患者提供准确合理助力、正确步态引导、全方位保护、身体支撑等功能。

 

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Ailegs

 

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 Aiwalker

 

在2017年首届中国高科技成果交易会上,大艾外骨骼康复机器人荣获特别金奖。

 

12月,大艾机器人项目荣膺由英国约克公爵安德鲁王子建立的全球创新孵化平台“龙门创将(Pitch@Palace)”年度全球总决赛第二名,得到了安德鲁王子及全球150余位国际商界领袖、专家学者和投资机构代表的高度认可。

 

5、台湾上银

 

上银科技是台湾最大的机械厂商,也是全球线性传动领导品牌, 2009 年在台湾证券交易所挂牌上市。

 

自行研发的产品从大型到微型的滚珠螺杆、线性滑轨、工业机器人等,打破日、德长年垄断的精密机械市场。

 

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上银科技以“下肢康复训练机”作为跨足医疗用机器人的试金石,定位高端市场。目前已通过台湾 TFDA 认证、欧盟医疗器材 CE 认证、与大陆 CFDA 认证,第1批10台下肢复康复训练机预计今年4月正式在大陆开卖。

 

上银“下肢康复训练机”在全球已与多个医学中心合作,在大陆就有10多家医疗机构感兴趣并有意与上银合作,医疗经销体系也布建完成。临床上已经超过4000位病人体验过HIWIN下肢康复训练机,具备早期介入治疗能力,可以快速帮助病人恢复体力与基本之运动控制能力。在使用6周后有超过 85% 病人在平衡感与肌耐力都有明显进步。


巨大市场有待发掘
据Fortune Business Insights统计披露,2018年全球康复机器人市场规模为5.298亿美元。预计到2026年,市场规模将达到26.173亿美元,复合年均增长率达22.1%。

2015-2026年全球康复机器人市场规模

(百万美元)

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从2009年开始,我国就相继出台一系列政策引导康复医院的发展,并鼓励有条件的单位配置康复辅助器具、康复机器人等智能设备。此前,工业和信息化部、发展改革委、财政部联合印发 《机器人产业发展规划(2016-2020 年)》,提出了我国机器人产业“十三五”总体发展目标,即形成较为完善的机器人产业体系,要求在2020年,在产业规模上,助老助残、医疗康复等领域实现小批量生产及应用,在技术水平上,医疗健康、家庭服务、反恐防暴、救灾救援、科学研究等领域的服务机器人接近国际水平。
另外,纳入医保的康复项目也在逐渐增加,未来康复机器人相关治疗费用的纳入值得期待。有一个说法是军用科技通常领先民用10年,从我国军方开始装备外骨骼的行为可以预测,我国在外骨骼研究方面必然会在未来几年内有良好的发展,结合我国康复行业人才上的巨大缺口,未来我国外骨骼行业前景无限。

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